專利名稱：一種鉻鐠共摻的鉺激活鋁酸釓鈣新型中波紅外激光晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中紅夕卜2. 5 μ m 3 μ m波段激光涵蓋了大氣的主要光傳輸窗ロ，在自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、遙感化學(xué)傳感器、地形測(cè)量、空氣污染控制、等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。對(duì)于該波段激光，大氣中的水蒸氣和其他氣體，包括CO、CO2 和N2O等，存在強(qiáng)的振動(dòng)吸收峰，故該波段也被稱為大氣“分子指紋”波段。因此，該波段激光可被廣泛應(yīng)用于探測(cè)低濃度的構(gòu)成大氣污染和溫室氣體效應(yīng)的氣體分子，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和反化學(xué)戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用；還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)人類的呼吸氣體，開(kāi)展醫(yī)學(xué)診斷。此外，該波段激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用還包括組織切割與縫合、眼科學(xué)、神經(jīng)外科等。目前，該波段激光主要采用由激光晶體直接激射產(chǎn)生與采用光學(xué)參量振蕩和差頻等非線性光學(xué)方法獲得。半導(dǎo)體激光也可能是ー種簡(jiǎn)單和高性價(jià)比的光源，但是，除了少數(shù)情況，它們需要冷卻且輸出功率受限。而固體激光有望在高光束質(zhì)量和窄線寬下輸出很高的功率。利用近紅外半導(dǎo)體激光泵浦，可以提供穩(wěn)定、高效、緊湊且寬光譜覆蓋和調(diào)諧范圍的器件，而這是半導(dǎo)體激光難以做到的。因此，室溫半導(dǎo)體激光泵浦固體激光的實(shí)用化，作為該波段的簡(jiǎn)單和緊湊的替代光源，對(duì)于遙感和痕量氣體探測(cè)等應(yīng)用具有重要意義。而且， 要將激光應(yīng)用于生物學(xué)、大氣環(huán)境探測(cè)、激光測(cè)距及光電對(duì)抗等領(lǐng)域，不僅要求激光單頻， 而且還要求頻率穩(wěn)定，這也是半導(dǎo)體激光難以做到的。此外，某些激光晶體寬的增益帶還將實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光，這使得該波段激光可進(jìn)ー步應(yīng)用于光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)、光學(xué)相干斷層掃描等領(lǐng)域?？傊?，隨著固體激光的發(fā)展，將有益于中紅外激光的眾多應(yīng)用領(lǐng)域。與通過(guò)采用光學(xué)參量振蕩和差頻等非線性光學(xué)產(chǎn)生該波段激光的方法相比，由激光晶體直接激射產(chǎn)生該波段激光的方法在光束質(zhì)量、穩(wěn)定性和器件裝置的簡(jiǎn)便化方面，具有一定的優(yōu)勢(shì)，而與該波段激光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換密切相關(guān)的增益的研究與發(fā)展決定了該波段激光器件的工作水平，是該波段激光器廣泛應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)；因此，也是當(dāng)今光電子材料領(lǐng)域的ー個(gè)研究熱點(diǎn)。同吋，晶體的功能性質(zhì)及應(yīng)用與其晶體結(jié)構(gòu)組成有密切關(guān)系。由激光晶體直接激射產(chǎn)生高效中紅外激光輸出的主要受限的問(wèn)題是由于中紅外激光光子的能量較低，與許多著名激光晶體的晶格振動(dòng)頻率即聲子振動(dòng)頻率相當(dāng)，這樣導(dǎo)致了快速無(wú)輻射弛豫與激光發(fā)射的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)，因此，導(dǎo)致了激光的高被動(dòng)損耗。為了克服這個(gè)問(wèn)題，必須選擇具有低聲子振動(dòng)頻率的材料，要由激光晶體直接激射產(chǎn)生中紅外激光，不僅要求激光基質(zhì)的聲子能量要小，聲子能量越小，則無(wú)輻射弛豫幾率也越小。同時(shí)，激光基質(zhì)的光譜在2. 5 μ m 3. 0 μ m要高透，并且要具有高的抗光損傷閾值和良好的物化性能，而摻雜于増益介質(zhì)中的激活離子則要有較大的發(fā)射截面(σ em > 10_21 10_2°cm2)。目前，2. 5 μ m 3 μ m波段激光是最急需又是最缺乏的激光光源之一，特別是 2. 7 μ m波段的激光光源。由于水對(duì)干 2.7 μ m激光光源有很強(qiáng)的吸收(其吸收系數(shù)是水對(duì) 2. 0 μ m激光光源吸收系數(shù)的200倍以上)，所以有關(guān)對(duì)于這一波段激光晶體及其器件的研究的難度很大，所以有關(guān)這方面的研究報(bào)道都比較少，水平也不高，特別是在國(guó)內(nèi)，還未見(jiàn)到系統(tǒng)的研究。另外，作為激活離子，稀土或過(guò)渡族離子激活的的激光晶體是可以產(chǎn)生2. 5μπι 3. 0 μ m中紅外激光的，Er3+、Ho3+等便是有效的激活離子。其中Er3+離子具有豐富的能級(jí)，其相應(yīng)的4111/2 — 4I1372躍遷可以產(chǎn)生2. 5 3. 0 μ m 波段的激光。一般地，在晶場(chǎng)的作用下，各個(gè)主能級(jí)可以分裂出較多的子能級(jí)，相應(yīng)地Er3+ 離子可以產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)的熒光發(fā)射，一般地，Er3+激活的晶體在2. 5 3. 0 μ m波段的熒光發(fā)射光譜，存在著 2. 6 μ m、2. 7 μ m、2. 8 μ m和2. 9 μ m波長(zhǎng)多個(gè)發(fā)射峰。當(dāng)然，對(duì)于不同的激光基質(zhì)材料，其晶場(chǎng)強(qiáng)度和相關(guān)的參數(shù)都有較大的區(qū)別，使得能級(jí)的分裂情況也有差異， 導(dǎo)致各個(gè)發(fā)射峰的波長(zhǎng)和相對(duì)的強(qiáng)弱發(fā)生變化。目前文獻(xiàn)已有報(bào)道 Er YAlO3 (YAP), Er Y3Al5O12 (YAG), Er Gd3Ga5O12 (GGG), EriY3Sc2Ga3O12 (YSGG)、EriLiYF4(LYF)等晶體實(shí)現(xiàn)了該波段百毫瓦量級(jí)乃至瓦級(jí)的激光輸
M I ο由于Er3+離子具有豐富的能級(jí)和躍遷渠道，可以同時(shí)產(chǎn)生l.Mym波段發(fā)光(對(duì)應(yīng)于4113/2 - 4I15Z2躍遷)和2. 5 3. 0 μ m波段發(fā)光(對(duì)應(yīng)于4Iiv2 - 4I 1372躍遷)，兩個(gè)發(fā)光躍遷渠道形成強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，使得2. 5 3. 0 μ m波段發(fā)光較弱，為了提高2. 5 3. 0 μ m波段發(fā)光強(qiáng)度，必須尋找出能夠有效抑制其它波段發(fā)光的方法，其中有效的方法之一是共摻 Pr3+敏化離子，可使得Er3+激光下能級(jí)4Iiv2的壽命減少而達(dá)到去激化的作用，抑制Er3+產(chǎn)生1. 54um激光4Iiv2 — 4I1572躍遷的競(jìng)爭(zhēng)，從而有利于2. 5 3. Oum波段激光的輸出，大大地提高了量子效率。另外，共摻Cr3+敏化離子可提高泵浦效率。Cr3+ヰEr3+ヰft·3+的敏化機(jī)理見(jiàn)圖1所示。CaGdA104<CGA0>晶體屬于四方晶系，具有良好的物化性能，不溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿，硬度大，具有較高的熱導(dǎo)率和激光損傷閾值，晶體在1725°C的溫度時(shí)同成分熔化，可以采用提拉法生長(zhǎng)大尺寸優(yōu)質(zhì)晶體，晶體2. 5 3. Oum中波紅外波段具有高的透過(guò)率，而且晶體具有較低的聲子能量(約為400cm-1)，Er3+離子激活的晶體在相應(yīng)波段具有較大的吸收與發(fā)射截面，因此是2. 5 3. Oum中波紅外激光増益介質(zhì)潛在的優(yōu)秀基質(zhì)材料。從附圖2和附圖 3中所測(cè)試的Cr3+ = Er3+ = Pr3+ = CaGdAlO4晶體的吸收與發(fā)射熒光光譜圖中，可以看到晶體在氙燈發(fā)射光波范圍有較強(qiáng)的吸收，在2. 5 3. Oum中波紅外波段具有多個(gè)發(fā)射峰，其發(fā)射截面均為 l(T2°Cm2，有利于實(shí)現(xiàn)2. 5 3. Oum中波紅外高效激光運(yùn)轉(zhuǎn)，因此Cr3+Er3+ft·3+ CGAO 將是ー種潛在的優(yōu)秀中波紅外激光晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開(kāi)ー種能夠?qū)崿F(xiàn)2. 5 3. Oum中波紅外波段高效激光輸出的激光晶體材料 Cr3+ Er3+ Pr3+ CaGdAlO4。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案1. 一種鉻鐠共摻的鉺激活鋁酸釓鈣新型中波紅外激光晶體，該晶體材料的化學(xué)式為 Cr3+:Er3+:Pr3+:CaGdA104，屬于四方晶系 I4/mmm,晶胞參數(shù)為σ = 3.663A,C = U.OlA, ν =161. 15cm3，Dx = 5. 942g/cm3。2. ー種項(xiàng)1的激光晶體材料的制備方法，其特征在于采用4N的Gd2O3.Cr203、Er203、Pr2O3與分折純的A1203、CaCO3作為原料，通過(guò)高溫固相反應(yīng)獲得 Cr3+ = Er3+Jr3+ = CaGdAlO4原料，在惰性氣氛下采用提拉法生長(zhǎng)晶體。3. ー種項(xiàng)1的激光晶體材料的用途，該材料用于2. 5 3. Oum中波紅外波段高效激光輸出，應(yīng)用于自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、遙感化學(xué)傳感器、地形測(cè)量、空氣污染控制、等領(lǐng)域。


附圖1為離子敏化機(jī)理；附圖2為晶體的室溫吸收光譜圖；附圖3為晶體的室溫?zé)晒獍l(fā)射光譜圖；附圖4為激光實(shí)驗(yàn)裝置。其中1. Cr3+:Er3+:Pr3+ICaGdAlO4激光晶體棒；2.氙燈泵浦源；3.諧振腔全反鏡；4.諧振腔激光輸出鏡；5.激光能量/功率計(jì)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一Cr3+:Er3+:ft~3+:CaGdA104 晶體的生長(zhǎng)制備晶體提拉法生長(zhǎng)所用的儀器是D幾-400的中頻提拉爐，中頻電源型號(hào)為 KGPF25-0. 3-2. 5。采用Pt/Pt-他的熱電偶和型號(hào)為815EPC的歐路表控溫。所采用的坩堝是Φ 55mmX 50mm的銥坩堝，所用的原料是4N的Gd2O3, Cr2O3> Pr2O3與分析純的A1203、CaCO3 作為原料。根據(jù)下列化學(xué)反應(yīng)式配制原料a-y-z)Gd203+xCr203+xEr203+yPr203+2CaC03+a_x) Al2O3 — 2CaGd(1丁z) CrxPryErzAl(1_x)04+2C02x = Iat% 20at%，y = 0at% 50at%，z = 0at% 50at%。把原料混合均勻，壓成片狀，放進(jìn)鉬坩堝，置入普通燒結(jié)爐中，以150°C /h緩慢升溫到1080°C， 保持48h，重復(fù)此過(guò)程，然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中在1350°C下恒溫?zé)Y(jié)72h，取出多晶料，直至 X射線粉末衍射與標(biāo)準(zhǔn)卡片完全相符為止。把原料裝入Φ55πιπιΧ50πιπι的銥坩堝內(nèi)，為了避免銥坩堝的氧化，首先抽出爐子內(nèi)的空氣，使得爐子內(nèi)的氣壓達(dá)到-0. OlPa，再充入高純還原氣體使得氣壓達(dá)到0. 04MPa，然后升溫到比熔點(diǎn)高50°C的溫度，恒溫1 2小吋，使得原料熔化完全。以鉬銥絲自然成核生長(zhǎng)的晶體作為籽晶生長(zhǎng)大尺寸的優(yōu)質(zhì)晶體。生長(zhǎng)過(guò)程中，籽晶桿的提拉速率為1.3 1. 5mm/h,降溫速率為2 10°C /h,籽晶桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為12 20r. p. m.，生長(zhǎng)結(jié)束后將晶體提離液面，以10 30°C /h的速率降至室溫，得到尺寸為Φ 50mmX 30mm的透明晶體，然后在 N2-H2混合氣氛下高溫退火以消除氧缺陷。實(shí)施例ニCr3+:Er3+:Pr3+:CaGdA104 晶體的激光實(shí)驗(yàn)加工出尺寸為的優(yōu)質(zhì)Cr3+ = Er3+Jr3+ = CaGdAlO4晶體棒器件，采用氙燈作為泵浦源， 進(jìn)行激光實(shí)驗(yàn)。氙燈泵浦激光實(shí)驗(yàn)裝置如附圖4所示。在激光實(shí)驗(yàn)中，所采用的氙燈尺寸為Φ 6mmX 90mm，脈沖寬度220 μ s，重復(fù)頻率有IHz和10Hz，激光諧振腔長(zhǎng)度為120mm，采用平-平腔鏡，輸出鏡與輸入鏡在2. 64 μ m與2. 79 μ m 3. O μ m波段高透，輸入鏡在 2. 7 μ m 波段高反(> 99. 8% )，輸出鏡在 2. 7 μ m波段的透過(guò)率為5% 6 %，所采用的能量探頭加上過(guò)濾鏡片，過(guò)濾鏡片在< 1. 8 μ m波段高反(反射率> 99% )，在> 1. 8 μ m波段的透過(guò)率為75%。
權(quán)利要求
1.一種鉻鐠共摻的鉺激活鋁酸釓鈣新型中波紅外激光晶體，其特征在于該晶體材料的化學(xué)式為Cr3+ Er3+ Pr3+ CaGdAlO4,屬于四方晶系I4/mmm，晶胞參數(shù)為= 3.663A, C = 12.01A, ν = 161. 15cm3，Dx = 5. 942g/cm3。
2.—種權(quán)利要求1的激光晶體材料的用途，該材料用于2. 5 3. Oum中波紅外波段高效激光輸出，應(yīng)用于自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、 遙感化學(xué)傳感器、地形測(cè)量、空氣污染控制、等領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鉻鐠共摻的鉺激活鋁酸釓鈣新型中波紅外激光晶體，涉及激光晶體材料領(lǐng)域。該晶體材料的化學(xué)式為Cr3+:Er3+:Pr3+:CaGdAlO4，屬于四方晶系I4/mmm，晶胞參數(shù)為v＝161.15cm3，Dx＝5.942g/cm3。采用4N的Gd2O3、Cr2O3、Er2O3、Pr2O3與分析純的Al2O3、CaCO3作為原料，通過(guò)高溫固相反應(yīng)獲得Cr3+:Er3+:Pr3+:CaGdAlO4原料，在惰性氣氛下采用提拉法生長(zhǎng)晶體。該材料用于2.5～3.0um中波紅外波段高效激光輸出，應(yīng)用于自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、遙感化學(xué)傳感器、地形測(cè)量、空氣污染控制、等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C30B29/22GK102560658SQ20111026333
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者朱昭捷, 李堅(jiān)富, 涂朝陽(yáng), 游振宇, 王燕 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所